低功耗设计是现代芯片设计当中一个离不开的话题。毕竟谁也不希望手机或者其它电子设备产品动不动就需要充电。尤其是一些小型产品，如果还需要外接电源才能够正常工作的话，很多人是无法接受的。
自从电子设备诞生之初，人们就一直希望可以在不影响正常功能的前提下，尽可能降低功耗。尤其是进入新世纪以后，人们发现随着时钟频率的持续增加伴随而来的功耗增加带来了一系列问题，比如功耗增加导致温度增加，进而引起电路性能下降。尤其是随着大量嵌入式设备和移动设备的兴起，人们逐渐意识到也许不需要那么高的性能，降低功耗，避免发热也是设计中非常重要的一环。
基于上述的背景，诞生了一系列的低功耗设计技术。本系列的文章打算就功耗的来源进行分析，讲解一些主流的低功耗设计方法。其中大部分来自于上课所学，还有一部分是通过论文以及工程实践得到的体会。希望对大家有所帮助。
数字CMOS电路的功耗表示
要实现低功耗，首先当然要搞明白功耗从哪里来这个问题。我们结合最基本的CMOS电路，对功耗进行相关的分析。从总体上来看可以分为动态功耗以及静态功耗，其中动态功耗占主要比例。
- 静态功耗：指的是设备通电但并不是由于信号翻转所引起的功耗。
- 静态功耗的其中一部分为闲置功耗： ����������� 。其中闲置电流 �������� 指的是电源 ��� 到地的连续电流，如下图所示。
- 静态功耗的另外一部分为泄露功耗，这也是静态功耗的主要组成部分： ����������� 。这一部分功耗的组成部分较多，主要包括如下几个方面。
- 反向偏置二极管漏电流（Reverse-biased diode leakage），这一部分漏电流由少数载流子漂移和在耗尽区产生电子/空穴对引起，其引起的功耗正比于扩散区面积和泄漏电流密度。
- 亚阈值漏电流（Sub-threshold Leakage)，这一部分电流出现在 CMOS gate没有完全关断的时候，因为CMOS并不是理想的器件，存在一个关断过程，由此就导致了亚阈值漏电流，并且它实际上已经是最为突出并且越来越突出的泄露功耗来源，需要尤其重点关注。该部分功耗和RTL设计无关，只取决于 ��� 和 �� 。因此可以通过多阈值、变化阈值、SOI技术来降低这一部分的功耗。
- 动态功耗，数字芯片功耗的主要来源，和RTL设计强相关。可以分为两大类，分别是短路功耗（英文有叫short circuit power的，也有叫internal power的）和容性功耗（或称为翻转功耗，本质是给电容充放电的那部分功耗）。
- 短路功耗，顾名思义，其主要原因是由于短路所造成的。在输入信号进行翻转的时候，需要一个过程。因此存在短暂的时间，NMOS以及PMOS会同时导通，因此就形成了VDD到地的通路，这一部分电流就是短路电流。
- 由下图可以看到，在电压发生翻转的情况下，存在一段时间，电压大于NMOS的导通阈值电压 ���同时也小于 ��� + ��� 。这段时间就会产生相应的功耗。
- 对于一个给定的反相器尺寸，当负载电容很小的时候，功耗主要来自于短路电流，对于非常大的负载电容，主要功耗来自于充放电负载电容。如果是输入和输出的上升/下降时间匹配相等的话，大约只有<10%来自短路功耗
- 当电源电压降低的时候，短路电流的影响会减小，此外从全局优化的角度，应该要求输入和输出信号的上升/下降时间匹配来使得短路功耗达到最小。（这一部分有专门的数学分析推导，大家知道结论即可）
- 容性功耗，顾名思义。给电容充放电所需要的功耗，这是现代数字芯片设计当中最最主要的功耗来源。跟我们的RTL设计关系非常大，也是大家需要重点掌握的。
- 首先我们回顾一下电容的充放电公式，学过电路原理的应该都知道这样的一个公式。整个CMOS的电势差从原本的 �����2 变为0.电容的能量变化应该为相应的一半。但是实际上消耗的能量还是�����2。
- 每次转换从电源中得到的能量： �����2 ，因此容性功耗=每次转换消耗的能量乘上 �0−>1 。该频率为转换频率。因此可以得到如下的公式：
要如何降低容性功耗呢？
- 系统的吞吐率决定了不能够再降低频率 ����
- 降低电源电压 ��� ，这似乎是个不错的办法，但是会带来什么问题呢？
- 减小开关活动率
- 减少逻辑电路的翻转（从何做起呢？似乎通过改善RTL设计就可以实现？）
- 减少毛刺的翻转（输出节点出现毛刺的情况下，会持续带来0带1的变换，导致开关的活动率提高，影响系统功能，这一点似乎必须得改善）
- 减小容性电容（回顾一下电容计算公式，并联导致电容增加，那似乎可以隔断无关模块，从而减小实际电容？）
下一篇文章我将带着上述这些思考。分析如何有效的降低容性功耗，通过合理的RTL设计，就可以降低非常多的功耗。初学者在设计的时候往往意识不到这点，但是想成为一名优秀的芯片设计工程师乃至架构师，都是需要掌握这些技巧的。芯片的功耗非常重要，有很多很多的公司，因为功耗的原因导致流片回来无法正常工作！
回顾一下这节课的内容。
- 首先我们分析了为什么需要低功耗。
- 进而分析了功耗有哪些来源。
- 知道功耗的来源便可以有的放矢，去优化可以优化的地方来降低功耗。
- 而本质上这些都是最基本的电路知识，所以大家应该可以很自然而然的想到一些优化策略。
对于这些设计，大家需要感受背后的设计思想。为什么要这么做？做之前分析现在的问题有哪些，瓶颈是什么，优化点是什么，其本质组成是什么。然后根据背后的本质思想展开优化，这些人为设计的东西都可以通过这一系列思想感受前人为何这么设计，希望对你有所帮助。如果有一点点收获，麻烦点个赞吧。
本节参考资料主要是之前上课的课件，如果有侵权请联系我删除，感谢老师。
